2. Датчики потоку.

Ультразвукові датчики ефективно використовуються для вимірювання потоку в багатьох медико-біологічних і промислових застосуваннях. Основним елементом конструкції ультразвукового датчика є п'єзоелектричний випромінювач коротких посилок акустичних (пружних) хвиль. Для вимірювання потоку використовуються частоти, що лежать за межами чутного акустичного діапазону – в ультразвуковій області. Робота ультразвукових датчиків потоку заснована на одному з двох фізичних принципів. У датчиках першого типу (вимірювання часу проходження сигналу) використовується той факт, що швидкість звуку, що розповсюджується в рухомому середовищі, рівна швидкості щодо цього середовища плюс швидкість руху самого середовища. У датчиках другого типу використовується зміна (доплеровський зсув) частоти ультразвукової хвилі при її розсіянні рухомим середовищем.

У ультразвукових вимірниках потоку використовуються електроакустичні перетворювачі з п'єзоелектричних матеріалів, що здійснюють перетворення електричної потужності в акустичні коливання. Ідеальним п'єзоелектричним матеріалом для електроакустичного перетворювача є такий матеріал, який забезпечує низький рівень шуму, високу ефективність перетворення і дозволяє створити перетворювач з високою добротністю. Найчастіше в електроакустичних перетворювачах використовується цирконат-титанат свинцю (ЦТС). Перевага цього матеріалу – дуже висока ефективність електроакустичного перетворення і висока температура Кюрі (приблизно 300 ^oС^); останнє зменшує вірогідність деполяризації матеріалу в процесі припаювання виводів перетворювача.

Можна виготовити ультразвуковий перетворювач будь-якої форми за допомогою розплавлення матеріалу і подальшого його формування. П'єзоелектричні кристали піддаються штучній поляризації шляхом поміщення їх в сильне електричне поле при високій температурі і охолоджування в цьому полі тд температур, нижчих за температуру Кюрі. Звичайно формуються перетворювачі у вигляді дисків, на протилежні плоскі поверхні яких наносяться металеві електроди. Через ці електроди генератор коливань збуджує кристал-випромінювач. Електроди кристала-приймача приєднані до високочастотного підсилювача. Для забезпечення максимальної ефективності товщина кристалу звичайно вибирається рівною половині довжини ультразвукової хвилі.

Вибір робочої частоти перетворювача визначається фундаментальними фізичними чинниками. Кінцеве значення діаметру перетворювача обумовлює наявність дифракційного розподілу інтенсивності ультразвукової хвилі по аналогії з апертурною дифракцією в оптиці. У області ближнього поля пучок має практично циліндрову форму, відповідну геометрії випромінювача, і його розширення мале. Проте розподіл інтенсивності в пучку неоднорідний, оскільки тут виникають численні інтерференційні максимуми і мінімуми. У області дальнього поля пучок розходиться, причому інтенсивність ультразвукової хвилі в пучку змінюється обернено пропорційно до квадрата відстані від перетворювача. Ефект розходження пучка погіршує просторове розділення, тому область дальнього поля використовувати не рекомендується. Для забезпечення роботи у області ближнього поля потрібні великі перетворювачі і високі робочі частоти. У промислових застосуваннях просторове розділення при вимірюванні потоку можна одержати, вибираючи робочу частоту і розмір перетворювача так, щоб розмір області ближнього поля приблизно відповідав діаметру потокопроводу (кровоносної судини, наприклад).

Правильний вибір робочої частоти дуже важливий для вимірників потоку крові. Для пучка з постійним поперечним перетином потужність ультразвукової хвилі експоненціально спадає з відстанню через її поглинання в тканині. З цієї точки зору бажані низькі робочі частоти, оскільки коефіцієнт поглинання ультразвуку квазілінійним чином зростає зі збільшенням частоти. З другого боку, найпоширеніші ультразвукові вимірники потоку – доплерівські датчики потоку – працюють на принципі детектування потужності ультразвукової хвилі, розсіюваної рухомими червоними кров'яними тільцями, причому розсіювана потужність пропорційна четвертому степеню частоти. Таким чином, в цих вимірниках потоку для збільшення потужності, що детектується, необхідно збільшувати робочу частоту. Компроміс досягається при виборі робочої частоти в діапазоні від 2 до 10 MГц.

Датчик потоку, що працює на принципі вимірювання часу проходження сигналу – один з простих ультразвукових вимірників потоку. Він широко використовується в промисловості і придатний також для респіраторних вимірювань і вимірювань потоку крові. Можливий спосіб розташування, що полягає в можливості закріплювати перетворювачі на зовнішній поверхні труби або кровоносної судини, що виключає обмеження потоку

Переваги таких датчиків (вимірників) потоку полягає в наступному: 1) з їх допомогою можна вимірювати потоки самих різних рідин і газів, оскільки для проведення вимірювань не потрібна наявність в плинному середовищі частинок, що відображають ультразвук; 2) вони дозволяють визначати напрям потоку; 3) їх свідчення порівняно нечутливі до змін в'язкості, температури і густини плинного середовища; 4) зі всіх вимірників потоку, що серійно випускаються, промислові пристрої цього типу забезпечують щонайвищу точність вимірювань.

Ультразвукові вимірники потоку були випробувані як пневмотахометри для вимірювання миттєвого значення об'ємної витрати вдихуваного або газу, що видихається. Ультразвукові пневмотахометри мають наступні теоретичні переваги:

1) висока швидкодія;

2) широкий динамічний діапазон;

3) відсутність рухомих частин;

4) нехтує малий вплив на потік;

5) природну двонаправленность;

6) легкість очищення і стерилізації.

В даний час ультразвукові пневмотахометри знаходяться все ще у стадії розробки. Є декілька проблем, що перешкоджають успішному впровадженню цих пристроїв: 1) низька акустична ефективність передачі ультразвуку через гази; 2) широкий діапазон змін складу, температури і вогкості газу; 3) незадовільне розуміння природи ультразвукового поля і характеру його взаємодії з рухомим газом.

У доплерівських вимірниках потоку безперервної дії використовується відомий ефект зміни (пониження) частоти звуку, що детектує рухомим приймачем, що віддаляється від нерухомого джерела звуку (ефект Доплера). Найважливіша перевага доплеровського вимірника потоку безперервної дії – можливість вимірювання кровотоку за допомогою перетворювачів, розташованих на поверхні тіла з одного боку кровоносної судини. Вимірники потоку цього типу можуть працювати з рідинами, що містять включення газів або твердих тіл. Можна вказати і ряд інших переваг цих пристроїв:

1) часові затримки сигналу в них мінімальні і визначаються головним чином характеристиками фільтрів;

2) при вимірюванні кровотоку перешкоди від сигналу електрокардіограми (ЕКГ) незначні;

3) такі пристрої можна встановлювати в дешевих регуляторах потоку.

При використовуванні доплерівського вимірника потоку безперервної дії для отримання сигналу доплерівського зрушення необхідна наявність в плинному середовищі яких-небудь частинок. Сигнал доплерівського зсуву не є одночастотним гармонійним сигналом, що обумовлене рядом причин:

1. Профіль розподілу швидкості по поперечному перетину потоку (профіль потоку) неоднорідний. Частинки рухаються з різними швидкостями, генеруючи різні по частоті доплерівські зрушення.

2. Частинка відображає ультразвукову хвилю в перебігу короткого проміжку часу.

3. Хаотичне обертання частинок і турбулентність викликають різні доплерівські зрушення.

Два інші недоліки доплерівського вимірника потоку безперервної дії – практично повна відсутність інформації про профіль потоку і неможливість визначення напряму потоку без додаткової обробки сигналу.

Імпульсний доплерівський вимірник потоку працює в радарному режимі і видає інформацію про профіль потоку плинного середовища. Перетворювач збуджується короткими посилками сигналу несучої частоти від генератора. Цей перетворювач виконує функції випромінювача і приймача; відбиваний сигнал з доплерівським зрушенням приймається з деякою часовою затримкою щодо моменту випромінювання первинного сигналу. Часовий інтервал між моментами випромінювання і прийому сигналу є безпосереднім покажчиком відстані до частинки, що відображає (дальності). Отже, можна одержати повну “розгортку” віддзеркалень сигналу упоперек труби або кровоносної судини. Профіль швидкості в поперечному перетині кровоносної судини виходить в результаті реєстрації доплерівського зсуву сигналу при різних часових затримках. За допомогою імпульсного доплерівського вимірника потоку можна оцінити діаметр кровоносної судини. Сигнали, що приймаються, А і З обумовлені віддзеркаленнями від ближньої і дальньої стінок судини відповідно. Відстань між точками, де відбуваються ці віддзеркалення, безпосередньо зв'язана через прості геометричні співвідношення з діаметром судини.

Аналогічний принцип вимірювання лежить в основі методу ультразвукового сканування в амплітудному режимі (А-режимі) і методу луна-кардіографії. Ультразвуковий перетворювач встановлюється напроти ділянки тіла або органу, що підлягає скануванню. Цей перетворювач випромінює ультразвуковий сигнал, що відбивається від будь-якої неоднорідності тканини уздовж напряму сканування. Затримка між часом випромінювання і прийому сигналу може бути використана для визначення місця локалізації цієї неоднорідності уздовж певного шляху сканування.

Тривалість випромінюваного імпульсу є важливим чинником при використовуванні імпульсного доплерівського вимірника для реєстрації кровотоку. У ідеалі це повинен бути дуже короткий імпульс, щоб одержати хороше розділення по відстані. З другого боку, для досягнення досить високого значення відношення сигнал/шум і хорошого розділення по швидкості тривалість цього імпульсу повинна бути достатньо велика. Типовий компромісний варіант – використовування імпульсів з частотою повторення 8 МГц і тривалістю 1 мкс.

Доплерівським вимірювальним системам, що працюють в імпульсному режимі, властиво внутрішнє обмеження. Воно виражається у тому, що при заданій дальності обмежений діапазон вимірюваних швидкостей. Це вимушує використовувати імпульси з меншою частотою повторення. Це означає, що не можна зміряти високі швидкості при великих відстанях до об'єкту, що відбиває. Спектральне розширення, яке може привести до появи в сигналі спектральних складових з частотами, що перевищують несучу частоту, а також неідеальність характеристик фільтрів нижніх частот, використовуваних для виключення ефекту накладення спектрів, приводить до ще жорсткіших обмежень.

У імпульсних доплерівських системах перетворювачі мають складнішу конструкцію, ніж в доплерівских системах безперервної дії. Будь-який кристалічний перетворювач характеризується високою добротністю Q (вузькою частотною характеристикою) і тому після закінчення збудливого електричного сигналу досить довго осцилює на своїй резонансній частоті. Імпульсний доплерівський перетворювач модифікується шляхом додавання до нього спереду або позаду масивного демпфера, що забезпечує зменшення (розширення частотної характеристики) кристала. Типові значення модифікованої добротності – від 5 до 15. При використовуванні одного загального перетворювача випромінювач і приймач відключення випромінювача здійснюється за допомогою логічного елементу (вентиля). Однокаскадний логічний елемент не забезпечує належної розв'язки могутнього сигналу, збудливого випромінювач, від виключно слабкого сигналу, що приймається. Проблема розв'язки розв'язується послідовним включенням двох логічних елементів.

При використовуванні імпульсних доплерівських систем виникають додаткові проблеми і з обробкою сигналу, що приймається. У система повинна бути передбачена деяка схема, що забезпечує захист підсилювача високої частоти від перевантажень під час передачі сигналу і запобігає надходженню напруги генератора на вхід цього підсилювача під час прийому сигналу. Прикладом такої схеми є діодна структура, що має низький опір для високорівневого передаваного сигналу і високим опором для слабкого сигналу, що приймається. Вимірювання профілів потоку в реальному масштабі часу досягається шляхом використовування 16 логічних елементів (селекторів дальності), задаючих різні часові затримки для сигналу, що приймається. На виході вимірювального пристрою маємо при цьому 16 “паралельних” сигналів, відповідних різним точкам в поперечному перетині труби або кровоносної судини і визначальних тимчасову залежність локальних швидкостей потоку в цих крапках. Профіль швидкості формується шляхом швидкого сканування по цих 16 каналах.

Головна перевага імпульсних доплерівських вимірників потоку – можливість отримання інформації про профіль потоку. Крім того, в цих пристроях детектують сигнали, відбивані частинками з малих об'ємів плинного середовища (через сканування по поперечному перетину потоку), і тому на детектори нуля поступають сигнали з вузьким частотним спектром, що є іншою важливою перевагою вимірників потоку цього типу. І, нарешті, оскільки для імпульсного доплерівського вимірника потоку потрібен тільки один перетворювач, що виконує функцію, як випромінювача, так і приймача, то це - ідеальний пристрій для вимірювань за допомогою катетера. Такі вимірники використовуються для реєстрації кровотоку в різних ділянках кровоносної системи.